การทดลองที่ 5 ปฏิบัติการเคมีทั่วไป I การทดลองเคมีแบบย่อส่วน การทดลองที่ 5 ความดันไอและความร้อนแฝงของการเกิดไอ ( Vapor pressure and Heat of Vaporization ) Rudolf Clausius Claypeyron

ความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอของของเหลวกับอุณหภูมิ ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของของเหลว ความดันไอของของเหลว โดยที่ Vvap >>> Vliq Clausius–Clapeyron relation n = 1

หรือประมาณค่าความดันไอที่อุณหภูมิต่างๆ จากกราฟหรือคำนวณตามสมการ เราสามารถทำการศึกษาหาค่า ΔHvap จาก Slope ของเส้นตรงระหว่าง Log(P) vs 1/T โดยอาศัยความสัมพันธ์ดังนี้ Log(Pwater) 1/T Slope = - ∆Hvap 2.303R หรือประมาณค่าความดันไอที่อุณหภูมิต่างๆ จากกราฟหรือคำนวณตามสมการ

การทดลองวันนี้ นิสิต 2 คนทำการทดลองด้วยกัน ตอนที่ 1 หาปริมาตรของแก๊สผสม (ไอน้ำ+อากาศ) ที่ 5 °C และในช่วงอุณหภูมิ 50-80 °C ตอนที่ 2 หาจำนวนโมลของอากาศ ตอนที่ 3 หา PH2O ในช่วงอุณหภูมิ 50-80 °C และหาความร้อนแฝงของการเกิดไอของน้ำจากกราฟ log PH2O vs 1/T

จัดตั้งอุปกรณ์การวัดปริมาตรของไอน้ำดังรูป การทดลอง จัดตั้งอุปกรณ์การวัดปริมาตรของไอน้ำดังรูป เทอร์มอมิเตอร์ อากาศ ลวด บีกเกอร์ 250 mL หลอดวัดปริมาตร เครื่องกวนแม่เหล็กชนิดให้ความร้อน

ขั้นตอน บรรจุน้ำกลั่นในบีกเกอร์ บรรจุน้ำกลั่นในหลอด คว่ำหลอดที่บรรจุน้ำกลั่นลงในบีกเกอร์ ปรับที่ว่าง (อากาศ) ในหลอดให้ได้ ≈1.50 mL (ใช้หลอดหยด) ติดตั้งเทอร์โมมิเตอร์ วัดปริมาตร (ที่ว่าง) ที่ 5 oC บันทึกปริมาตรช่วงระหว่าง 50-80 oC คำนวณ & สร้างกราฟ

บรรจุน้ำกลั่นให้เต็มหลอด คว่ำหลอดที่บรรจุน้ำกลั่นลงในบีกเกอร์ บรรจุน้ำกลั่นให้เต็มหลอด ระดับน้ำต้องท่วมหลอด ระวังฟองอากาศ

พยามยามให้หลอดตั้งตรงในแนวดิ่ง

ใช้หลอดหยดบีบอากาศเข้าไปในหลอดเพื่อปรับอากาศให้ได้ 1.50-2.00 mL ส่วนที่เป็นอากาศ หลอดหยด ความดันภายนอก = ความดันภายในหลอด Patm = 1.00 atm = Pair + Pwater

ติดตั้งเทอร์โมมิเตอร์ จุ่มเทอร์โมมิเตอร์ลงในบีกเกอร์แล้ววางให้ได้ตำแหน่งดังภาพ เห็นสเกลชัดเจน ใช้ที่จับบิวเรตจับเทอร์โมมิเตอร์ให้ตั้งตรงและอยู่นิ่ง

วัดปริมาตร (ที่ว่าง) ที่ 5 oC นำ V ที่ได้ไปคำนวณหา nair Pwater  0 atm Patm = 1.0 atm = Pair ความดันอากาศภายนอกจากบารอมิเตอร์

บันทึกปริมาตรช่วงระหว่าง 50-80 oC บันทึกอุณหภูมิและปริมาตรอากาศในหลอด ต้มน้ำในบีกเกอร์ให้ร้อนขึ้นไปเรื่อยๆ พร้อมใช้แท่งแก้วคนเบาๆ บันทึกอุณหภูมิและปริมาตรอากาศในหลอด ที่อุณหภูมิ 55 – 80 oC อย่างน้อย 5 จุด

การคำนวณและการสร้างกราฟ 1. หาจำนวน mol ของ Air ที่อยู่ในหลอด (nair ) ที่อุณหภูมิ 50c ประมาณว่าน้ำกลายเป็นไอน้อยมาก ดังนั้น Pwater ≈ 0 atm Pair Pair ≈ Patm = 1.00 atm ในหน่วย L nair = Pair@T0 V0 RT0 0.082 L atm K-1 mol-1 nair = Patm V0 RT0

2. หา Pair@T1 ที่อยู่ในหลอดที่อุณหภูมิ T1 (อยู่ในช่วง 50 – 80 oC) วัดปริมาตรได้ V1 Pair@T1 = nair RT1 V1 nair = Patm V0 RT0 แทนค่า V1 ที่อุณหภูมิ T1 วัดปริมาตรได้ V1 Pair@T1 = Patm V0 RT1 = Patm V0T1 RT0 V1T0

Patm = Pair @T1 + Pwater@T1 = 1.00 atm Pwater@T1 = 1.00 atm – Pair@T1 3. หา Pwater@T1 ที่อยู่ในหลอดที่อุณหภูมิ T1 ที่อุณหภูมิ T1 Patm = Pair @T1 + Pwater@T1 = 1.00 atm Pwater@T1 = 1.00 atm – Pair@T1 4. สร้างกราฟระหว่าง 1/T vs log Pwater@T1 Log(Pwater) 1/T Slope = - ∆Hvap 2.303R logP1 = -ΔHvap + C 2.303 RT1

ตารางบันทึกผลการทดลอง อุณหภูมิ (°C) V (mL) T (K) Pair (atm) Pwater (atm) logPwater 1/T (K-1) 80.0 75.0 70.0 65.0 60.0 55.0 50.0 5.0 + 273.0

และ....อื่นๆที่ผู้เรียนอยากจะบอกผู้สอน 2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 5 ความดันไอและความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ ประเมินผลการเรียนรู้ด้วยตนเอง (ทำเครื่องหมาย  ในช่องที่ต้องการ) หัวข้อ ผลการเรียนรู้ที่ได้ มาก ปานกลาง น้อย ไม่ได้เลย 1. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดัน/ปริมาตร/จำนวนโมล/และอุณหภูมิได้ตามกฎของแก๊สในอุดมคติ 2. แสดงวิธีการหาความดันไอของน้ำจากการทดลอง 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอของน้ำกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงได้ตามสมการของ Clausius-Clapeyron 4. คำนวณหา ΔHvapของน้ำ 5. ยกตัวอย่างการนำค่า ΔHvap มาใช้ประโยชน์ และ....อื่นๆที่ผู้เรียนอยากจะบอกผู้สอน

2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 5 ความดันไอและความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ

1. บรรจุน้ำกลั่นในบีกเกอร์ 2. บรรจุน้ำกลั่นให้เต็มหลอด ฝึกอ่านสเกลบนหลอดก่อนบรรจุน้ำ 1. บรรจุน้ำกลั่นในบีกเกอร์ 2. บรรจุน้ำกลั่นให้เต็มหลอด ระวังฟองอากาศ

Liquid  Gas (Vaporization) water to water vapor: 540 Cal g-1 Latent heat of vaporization is the amount of heat required to convert a unit mass of liquid into vapor without a change in temperature. Energy must also be supplied to overcome molecular attractive forces in a liquid. As for a solid, this energy is supplied externally, normally as heat, and does not increase the temperature. As a fluid changes from liquid to vapor at its boiling point, its temperature will not rise above its boiling point.

Evaporation Evaporation - Ordinary evaporation is a surface phenomenon - some molecules have enough kinetic energy to escape. If the container is closed, an equilibrium is reached where an equal number of molecules return to the surface. The pressure of this equilibrium is called the equilibrium vapor pressure. Air inside the container for which evaporation has reached equilibrium with the surface is saturated. Equilibrium vapor pressure - the equilibrium pressure of a vapor above its liquid (or solid); that is, the pressure of the vapor resulting from evaporation of a liquid (or solid) above a sample of the liquid (or solid) in a closed container. The number of molecules leaving the solid or liquid surface is equivalent to the number of molecules condensing back onto the surface once equilibrium is reached. The number of molecules coming and going is temperature dependent for all substances. gas-liquid gas-solid http://www.vivoscuola.it/us/rsigpp3202/umidita/copie/vappre.htm#c3

Vapor Pressure Equal pressure (force per unit area) exerted initially. P1=P2=1 atm (~ 1000 mb, 760 mm Hg) P1 P2 Greater pressure (force per unit area) exerted by gas in container at later time. P1>P2 P1 P2 Equilibrium Vapor Pressure t=0 t=later 100°C At equilibrium P1-P2 = 1013 mb (760 mm Hg) - the equilibrium vapor pressure for water at 100°C. - The pressure inside the closed container is 2x the atmospheric pressure at this point! Adopted from http://wine1.sb.fsu.edu/chm1045/notes/Forces/Vapor/Forces05.htm

** How can you calculate P ? Clasius-Clapeyron Equation Log(Pwater) 1/T ** How can you calculate P ? ** T is easy to measure Slope = - ∆Hvap 2.303R

การทดลอง ใส่น้ำกลั่นประมาณ 200 ml ในบีกเกอร์ขนาด 250 ml เทอร์มอมิเตอร์ อากาศ ใส่น้ำกลั่นประมาณ 200 ml ในบีกเกอร์ขนาด 250 ml พยายามให้มีอากาศในหลอดประมาณ 1.5 ml ต้มน้ำให้ที่อุณหภูมิ 50 (ใช้แท่งแก้วคนให้อุณหภูมิสม่ำเสมอ) วันปริมาตรอากาศในหลอด จากนั้นเพิ่มอุณหภูมิทีละ 5 องศา จนกระทั่ง 80 ๐C และวัดปริมาตรในหลอด บันทึกผล ( 7 exps.) อย่าทำการคนแรงเพื่อป้องกันไม่ให้อากาศเข้าไปในหลอด

ค่อย ๆ ใส่น้ำแข็ง ลงไปเพื่อให้อุณหภูมิต่ำกว่า 5 ๐C คำนวณโมลของอากาศ เทอร์มอมิเตอร์ อากาศ ค่อย ๆ ใส่น้ำแข็ง ลงไปเพื่อให้อุณหภูมิต่ำกว่า 5 ๐C คำนวณโมลของอากาศ คำนวณความดันย่อย คำนวณความดันของไอน้ำ น้ำแข็ง * ค่อย ๆ ใส่น้ำแข็งเพื่อป้องกันฟองก๊าซ และถ้าน้ำล้นให้เอาดร๊อปเปอร์ดูดออก (เช่นกัน ทำอย่างระวังเพื่อป้องกันฟองก๊าซ เข้าไปในหลอดทดลอง)

ความดันไอของของเหลวสัมพันธ์กับอุณหภูมิ ตาม Clapeyron equation dP = ΔS dT ΔV Clausius–Clapeyron relation T = อุณหภูมิ (K) V = Vvap–Vliq Hvap = ความร้อนแฝงของการเกิดไอ